[发明专利]一种直流电机多边独立驱动行走机构变速及差速控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及直流电机控制技术领域，具体涉及一种直流电机多边独立驱动行走机构变速及差速的电子控制技术领域。

背景技术

对于直流电机多边独立驱动行走机构结构方案，一般无实体驱动桥、每个驱动轮都由各自对应的电机(或“减速电机”即将电机和机械变速箱做成一体)驱动，电机与驱动轮安装紧凑，甚至能以轮毂电机的形式直接安装于车轮内部。与有实体驱动桥行走机构结构方案相比，具有机械结构简单、布置方便、驾乘和载货空间大，电子控制便捷、无级变速平顺，重心低、行走平稳和离地间隙大、通过性好的优点，在混合动力汽车、电动汽车、代步车、轮式机器人、园林机械等轮式行走机构产品领域，受到越来越广泛的重视。

由汽车设计理论可知：对于多驱动轮行走机构，在路面不平和松软、轮胎磨损、轮胎胎压和负荷等实际情况下，不论是在转向还是在直线行驶，各驱动轮都必须顺应车况和路况，输出正确的转速和相等的转矩(这就是所说的“差速”)，消除功率循环。其目的是：①通过轮胎与路面之间良好的结合(不打滑)，使各驱动轮获得最大的横向和纵向附着(摩擦)系数，防止行走机构行驶不稳(发飘)、侧滑和轮胎过度磨损，提高行驶稳定性、可控性，提高轮胎的使用寿命；②通过各驱动轮相等的输出转矩，维持驱动轮的运动方向和转速(运动状态)的同时，防止驱动跑偏力矩产生，降低操纵人员修正方向的劳动强度。

注：对于行走机构因各驱动轮压辙、轮胎变形阻力、以及其他外部阻力(如风阻)不平衡等引起的系统跑偏，由转向系回正力矩(主要由转向主销后倾和内倾产生)自动消除，或由操纵人员通过转向系予以人为修正。

目前，直流电机多边独立驱动行走机构的变速及差速控制技术方案，主要有“电子差速”、“恒转矩控制”和“电机串联”三种技术方案。都是采用变速和差速一体化控制：变速控制，一般是用踏板或手柄位置信号斩波控制电源输出，同步改变各电机输出转矩(打破原平衡力系，改变系统运动状态，直至建立新的平衡力系)，实现系统变速(斩波控制是目前直流电机调速的主流方法，它能节约能量、提高行走机构续航里程，技术非常成熟)；差速控制，目前还没有非常成熟的技术方案。

下面，对上述方案进行简要分析：①“电子差速”技术方案：是一种开环控制技术方案，用于各电机通过对应控制器并联于电源上的结构方案上(主要用于直流轮毂电机驱动的混合动力汽车，这也是唯一实际应用的技术方案)。变速控制是将踏板或手柄位置信号作为速度控制信号，通过控制器同步斩波控制各电机的功率输出，实现系统变速；差速控制是将方向盘转角传感器信号作为差速控制信号，经电脑处理输出与各电机对应的差速信号，对电机(或驱动轮)转速进行修正，实现驱动轮差速(用方向盘转角传感器信号对各电机的差速控制，需针对具体车辆结构参数，如轮距、轴距、转向轴数等)。即踏板或手柄位置信号和各电机对应差速信号(对应方向盘转角传感器信号)，叠加总量控制各电机(驱动轮)转速，实现变速和差速。存在的问题是：该技术方案只满足了行走机构转向时驱动轮差速的需要，未考虑路面平整度和硬实度不同、轮胎磨损不同、胎压不同、车轮负荷不同等实际情况下，对驱动轮差速的要求，在行驶过程中车轮滑转率过大，轮胎过度磨损(有轮毂电机驱动电动车轮胎过度磨损的实例)，不能满足实际工作需要。②“恒转矩控制”技术方案：是一种闭环控制技术方案，也是用于各电机通过对应控制器并联于电源上的结构方案上。变速控制和差速控制是：将踏板或手柄位置信号作为基本控制信号(速度控制信号)，各电机输出轴的扭矩传感器信号作为反馈信号(差速控制信号)，控制各电机输出转矩，实现变速和差速。存在的问题是：对于采用轮毂电机驱动的行走机构，由于电机无实体输出轴，无法安装扭矩传感器并获得扭矩信号，该技术方案只能用于有实体输出轴的电机驱动机构方案上，能够应用的产品范围很小。③“电机串联”技术方案：是一种开环控制技术方案，用于各电机通过对应控制器串联于电源上(有刷电机串联其电源线，无刷电机串联控制器功率母线)的结构方案上。变速：将踏板或手柄位置信号作为速度控制信号，斩波控制电源的能量输出，同步控制各电机转矩，达到控制车速的目的。差速：行走机构行驶过程中，各驱动轮顺应车况和路况，根据路面阻力变化自动调节运动方向和转速(运动状态改变，一般不同)时，由于电机串联，其绕组电流相等并仍能输出相同的扭矩，实现驱动轮自适应差速。它有效解决了行走机构在任何路况和车况下差速的问题，差速控制精度高、结构简单、工作可靠性高。存在的缺陷是：由于电机“串联”的分压作用，要求用高电压驱动整个电路(采用高压直流电源或者逆变升压，来减小电机重量，提高行驶平顺性、提高系统的效率，降低成本、提高续航里程)。对高压电源安全控制技术不是很成熟的现状而言，在使用和维修维修中存在较严重的安全隐患。